Проблема с высоко-растворителями
Фармацевтический синтез, специальное химическое производство и операции по восстановлению растворителей нагревают органические растворители до 150-200 градусов. При этих температурах растворители становятся агрессивными по отношению к полимерным материалам за счет набухания, проникновения и пластификации. Полимер, химически стойкий при температуре окружающей среды, может размягчаться, набухать или растворяться при температуре 180 градусов.
PEEK-полиэфирэфиркетон-является высокоэффективным-термопластиком с постоянной рабочей температурой 250 градусов и превосходной химической стойкостью. Он используется в сложных условиях аэрокосмической, нефтегазовой и химической обработки, где другие полимеры не справляются. ПТФЭ также рассчитан на непрерывную работу при температуре 260 градусов и обладает почти-универсальной химической стойкостью.
Выбор между этими двумя полимерами премиум-класса для теплообмена с горячими растворителями зависит от их принципиально различной реакции на воздействие органических растворителей при повышенной температуре.
Разница в набухании и проникновении
Органические растворители проникают в полимеры путем диффузии в свободный объем между полимерными цепями. Степень абсорбции зависит от соответствия параметров растворимости растворителя и полимера, а также от количества свободного объема в структуре полимера.
PEEK – полу-кристаллический полимер с жесткой ароматической основой. Жесткость ограничивает свободный объем и снижает поглощение растворителей по сравнению с более гибкими полимерами. В большинстве органических растворителей при температуре ниже 150 градусов PEEK поглощает менее 2% растворителя по весу и хорошо сохраняет свои механические свойства.
При температуре выше 150 градусов ситуация меняется. Повышенная тепловая энергия расширяет свободный объем. Молекулы растворителя проникают глубже. Поглощение увеличивается. Абсорбированный растворитель пластифицирует полимер-молекулы растворителя действуют как внутренняя смазка между полимерными цепями, снижая прочность и жесткость. Компонент PEEK, который является стабильным по размерам и механически прочным при 120 градусах, может набухать и размягчаться при 180 градусах в том же растворителе.
ПТФЭ реагирует по-другому. Связи углерода-фтора создают полимер с очень низкой плотностью энергии сцепления-межмолекулярные силы между цепями слабы. Растворители, которые поглощаются большинством полимеров, не проявляют термодинамического притяжения к ПТФЭ. Параметр растворимости ПТФЭ составляет примерно 6,2 (кал/см³)^(1/2), что далеко от большинства органических растворителей. Абсорбция минимальна даже при повышенных температурах.
Таблица 1: ПТФЭ в сравнении с ПЭЭК при воздействии органических растворителей при 180 градусах
| Параметр производительности | ПЭК | ПТФЭ |
|---|---|---|
| Температура стеклования (градусы) | 143 | 115 (но существенно не размягчается из-за высокой кристалличности) |
| Температура непрерывного использования (градусы) | 250 | 260 |
| Абсорбция растворителя в толуоле при 180 градусах (%) | 3-8 | < 0.5 |
| Абсорбция растворителя в ДМФ при 180 градусах (%) | 5-12 | < 0.5 |
| Сохранение прочности на разрыв после 1000 часов в растворителе при температуре 180 градусов (%) | 60-80 (зависит от растворителя) | > 90 |
| Изменение размеров в растворителе при 180 градусах (%) | 1-5 (отек) | < 0.5 |
| Скорость проникновения (относительная) | Умеренный | Очень низкий |
| Склонность к растрескиванию под напряжением | Умеренная (в агрессивных растворителях) | Никто |
| Устойчивость к ползучести при угле 180 градусов под нагрузкой | Хороший | Умеренный (используйте модифицированный ПТФЭ) |
Отличие от стресса
PEEK подвержен растрескиванию под воздействием окружающей среды в некоторых органических растворителях при повышенной температуре. Когда находящийся под нагрузкой компонент из PEEK подвергается воздействию растворителя, который имеет определенное сродство к полимеру, молекулы растворителя концентрируются в местах концентрации напряжения-дефекты поверхности, следы механической обработки или точки зажима. Локализованная пластификация приводит к образованию микротрещин, которые медленно распространяются по материалу.
Восприимчивость зависит от конкретного растворителя, уровня стресса и температуры. Трудно предсказать появление новых или смешанных составов растворителей. Теплообменник, безупречно работающий в испытательной среде, может преждевременно выйти из строя в производстве из-за незначительной примеси растворителя или незначительно отличающейся рабочей температуры.
ПТФЭ не имеет известной склонности к растрескиванию под воздействием окружающей среды в органических растворителях. Связь углерод-фтор слишком прочна, чтобы ее могли разрушить молекулы растворителя. Низкая плотность когезионной энергии материала означает, что даже растворители, которые поглощают незначительно, не могут сконцентрироваться в точках напряжения настолько, чтобы инициировать растрескивание.
Компромисс между границами ползучести и давления-
Преимуществом PEEK является сопротивление ползучести. Жесткая ароматическая основа PEEK обеспечивает лучшее сопротивление ползучести под нагрузкой, чем PTFE, при той же температуре. Трубка из PEEK под внутренним давлением пара при температуре 180 градусов ползет медленнее, чем трубка из PTFE в тех же условиях.
Модифицированный ПТФЭ с его сомономерами боковых-ветвей во многом закрывает этот пробел. При температуре 180 градусов и умеренном давлении пара (2–4 бар изб.) модифицированный ПТФЭ обеспечивает достаточный срок службы ползучести в течение 5–10 лет. Для применений, требующих более высокого давления пара при температуре 180 градусов, превосходное сопротивление ползучести PEEK может оправдать более высокую стоимость материала и более ограниченную совместимость с растворителями.
Краткое содержание
ПТФЭ превосходит PEEK при работе с горячими органическими растворителями при температуре выше 150 градусов, где основными проблемами являются набухание растворителем, проникновение и растрескивание под напряжением. Низкий параметр растворимости ПТФЭ и прочные связи C-F обеспечивают почти-нулевую абсорбцию растворителя и устойчивость к растрескиванию под напряжением. PEEK подвержен набуханию и растрескиванию под воздействием окружающей среды в некоторых растворителях при повышенных температурах.
Преимущество PEEK — превосходное сопротивление ползучести, что может иметь решающее значение при работе с паром под высоким-давлением. Для большинства задач нагрева органических растворителей в пределах давления ПТФЭ, ПТФЭ обеспечивает более широкую химическую совместимость и отсутствие риска растрескивания под напряжением.
Технический анализ выбора полимера для теплообменника с горячим растворителем доступен после предоставления информации о растворителе и его концентрации, рабочей температуре и давлении, тепловой мощности, а также любых предыдущих результатах испытаний на совместимость полимеров.
